Summary

Поколение и согласованного контроля импульсных квантовой частоты Комбс

Published: June 08, 2018
doi:

Summary

Протокол представлен практический поколения и последовательной обработки высокой мерных частоты bin запутанные Фотон государств с использованием интегрированных микро полостей и стандартные телекоммуникационные компоненты, соответственно.

Abstract

Мы представляем метод для поколения и последовательной обработки импульсных квантовой частоты Комбс. До сих пор методы подготовки высокой мерного государств на чипе практическим образом остается недостижимой из-за растущей сложности квантовых схем, необходимых для подготовки и обработки таких государств. Здесь, мы приводим как высокий мерных, частота bin запутанные, два Фотон государства могут быть собраны в поколение стабильной, высокая скорость с помощью вложенных полости, активно к морю режим возбуждения нелинейного микро-полости. Этот метод используется для производства импульсных квантовой частоты Расчески. Кроме того мы представляем как квантовых состояний может быть последовательно манипулировать, используя стандартные телекоммуникационные компоненты, такие как Программируемые фильтры и электро оптические модуляторы. В частности мы покажем в деталях, как для выполнения измерений характеристик государственного реконструкции матрицы плотности, совпадение обнаружение и определение спектра одиночных фотонов. Представленные методы формируют доступной, реконфигурируемых и масштабируемую основу для сложных высокого мерного государства подготовки и обработки протоколов в частотной области.

Introduction

Контроль за квантовых явлений открывает возможность для новых приложений в таких областях, как безопасное квантовой связи1, мощные квантовой обработки информации2и квантовой зондирования3. В то время как активно изучаются различных физических платформ для реализации квантовых технологий4, оптических квантовых состояний являются важным кандидатами, как они могут exhibit раз длинные последовательности и стабильности от внешних шумов, отличные передача свойств, а также совместимость с существующими телекоммуникаций и технологий чип (CMOS) кремния.

На пути к полной реализации потенциала фотонов для квантовых технологий, состояние сложности и информационного содержания может быть увеличена за счет использования несколько запутанный сторон и/или высокой размерности. Однако на чипе поколения таких оптических государств не хватает практичности как установок являются сложными, не отлично масштабируемые и/или использовать высоко специализированные компоненты. В частности, требует высоких мерного пути запутывание Equation 01 когерентно возбужденных идентичные источники и разработать схемы луча сплиттеры5 (где Equation 01 это размерность государства), в то время как время запутывание потребностей комплекса Интерферометры мульти руки6. Удивительно,-частотное хорошо подходит для масштабируемых поколения и контроля сложных государств, как свидетельствуют ее недавние эксплуатации в квантовой частоты Расчески (QFC)7,8 с помощью сочетания интегральной оптике и телекоммуникационной инфраструктуры9и представляет собой многообещающие рамки для будущих квантовой информационных технологий.

На чипе QFCs создаются с использованием нелинейных оптических эффектов в комплексной микро полостей. Используя такие нелинейные микро резонатор, два запутанных фотонов (отмечено как сигнал и отводные) производятся путем спонтанной Четырехволновое смешивания, через уничтожение двух фотонов возбуждения – с результирующей пара генерируется в суперпозиции полости режимы-равномерно резонансной частоты (рис. 1). Если есть согласованности между режимами отдельных частоты, частота bin запутанные государство является форматом10, который часто называют locked режиме два фотона состояние11. Эта волна государство-функция может быть описана,

Equation 02

Здесь Equation 03 и Equation 04 являются сингл частоты режиме холостой и сигнала компонентов, соответственно, и Equation 05 является амплитуда вероятности для Equation 06 -й сигнал холостой режим пара.

Предыдущие демонстрации на чипе QFCs выделить их универсальность как жизнеспособной квантовой информации платформ и включают Расчески коррелированных фотоны12, кросс поляризованных фотонов13, запутанные фотоны14,15 , 16, мульти Фотон государства15, и частота bin запутанные государств9,17. Здесь мы предоставляем подробный обзор платформы QFC и протокол для высоких мерных частоты bin запутанные поколение оптических государства и управления.

Будущее Квантовая приложений, особенно тех, чтобы быть сопряжена с высокоскоростным электроники (для своевременной обработки информации), требуют высокой скорости поколения высокой чистоты Фотон государств в компактный и стабильной установки. Мы используем схему активно режим блокировки, вложенные полости производить QFCs в пределах телекоммуникаций S, C и L частотных диапазонах. Микро кольцо включена в больших импульсных лазерных полость, с оптического усиления (предоставляемые эрбий допированном волокон усилителя EDFA) фильтруется в соответствии с пропускной способностью микро кольцо возбуждения18. Режим блокировки активно реализуется через-электрооптического модуляции полости потери19. Изолятор гарантирует, что пульс распространение единого направления. В результате пульс поезд имеет очень низкое Среднее квадратическое (СКО) шума и экспонаты перестраиваемый второгодников и пульс полномочия. Высокая изоляция узкополосный режекторный фильтр отделяет излучаемых фотонов QFC из поля возбуждения. Затем эти одного фотонов ориентируются на основе волокон для контроля и обнаружения.

Наша схема является шагом к высокая скорость создания, малогабаритный QFC источник, как все компоненты, используемые потенциально могут быть интегрированы в фотонных микросхему. Кроме того импульсного возбуждения особенно хорошо подходит для квантовой приложений. Во-первых глядя на пару микро полость резонансов симметричный для возбуждения, он создает два Фотон государства, где каждый фотон характеризуется одночастотный режим – Центральный для линейных оптических квантовых вычислений20. Также, мульти Фотон государства может быть порождена переезда в более высокой мощности возбуждения режимов и выбрав несколько пар сигнал холостой15. Во-вторых как фотоны преобразуются в известное время windows соответствующий импульсным возбуждением, пост-обработки и стробирования может осуществляться для улучшения состояния обнаружения. Возможно наиболее значительно, наша схема поддерживает высокий поколения ставки Фотон государств с использованием гармонический режим блокировки без снижения совпадение случайное отношение (автомобиль) – который может проложить путь для высокоскоростных, многоканальный квантовой информации технологий.

Чтобы продемонстрировать влияние и возможности в частотной области, управления QFC государств должны быть выполнены в целевых путей, обеспечивая высокую эффективность преобразования и согласованности государственных. Для удовлетворения таких требований, мы используем каскадные Программируемые фильтры и фаза модуляторы-установленные компоненты в телекоммуникационной отрасли. Программируемые фильтры может использоваться для навязывания произвольных спектральных амплитуды и фазы маски на одного фотонов, с разрешением достаточно для решения каждой частоты режим индивидуально; и электро оптические этап модуляторы, движимый радиочастотного (RF) сигнала генераторов облегчить смешивания частота компоненты21.

Наиболее важным аспектом этой схемы управления является, что она работает на всех режимах квантовой фотонов одновременно в один пространственный режим, с помощью одного элемента управления элементами. Увеличение размерности квантового состояния не приведет к увеличению сложности установки, в отличие от пути или время Бен запутанность схемы. Также, все компоненты являются внешне реконфигурируемых (смысл операции могут быть изменены без изменения установки) и использование существующей телекоммуникационной инфраструктуры. Таким образом существующих и предстоящих событий в области сверхскоростной оптической обработки могут быть непосредственно переданы элемент масштабируемых квантовых состояний в будущем.

В резюме эксплуатация в частотной области, QFCs поддерживает высокий скорость генерации сложных квантовых состояний и их контроля и, таким образом хорошо подходит для использования сложных государств в отношении практических и масштабируемых квантовых технологий.

Protocol

1. поколение высокой мерных частоты bin запутанные государствами посредством импульсного возбуждения По схеме, изложенной в рисунке 2 (в стадии зарождения) подключение каждого компонента с помощью поляризации поддержание световодов (для повышения экологической ус?…

Representative Results

Изложил схему для генерации и контроля государств высокой мерных частоты bin (на основании возбуждения нелинейного микро полостей, рис. 1) показано на рисунке 2. Эта установка использует стандартные телекоммуникационные компоненты и явл?…

Discussion

Оптических частот домен, через QFCs, выгодно в квантовой приложений для целого ряда причин. Операции являются глобальными, Исполняющий обязанности на все государства одновременно, что приводит в дизайн, который не масштаб размера или сложности как увеличение размерности государства. Эт?…

Acknowledgements

Мы благодарим р. Helsten за техническую информацию; P. Кунг от QPS Photronics за помощь и оборудование для обработки; а также QuantumOpus и N. Бертоне оптоэлектронные компоненты за их поддержку и за предоставление нам Фотон искусство обнаружения оборудования. Эта работа стала возможной благодаря следующие источники финансирования: естественные науки и инженерных исследований Совет из Канады (СЕНТИ) (Steacie, стратегических, обнаружения и ускорение грантов схем, Ванье Канада Магистратура стипендии, Стипендия УСРА); Mitacs (IT06530) и PBEEE (207748); МЭСИ PSR-СИИРИ инициатива; Канада Председатель исследовательской программы; Австралийский исследовательский совет открытие проектов (DP150104327); Европейский союз Horizon 2020 исследований и инновационной программы под Марии Склодовской-Кюри Грант (656607); Программа CityU SRG-Fd (7004189); Программа исследований стратегический приоритет Китайской академии наук (XDB24030300); Программа (Мари Кюри действия) люди FP7 программы Европейского союза по соглашению ри Грант INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Правительство Российской Федерации через НИУ ИТМО стипендий и профессора программа (Грант 074-U 01); Программа 1000 таланты Сычуань (Китай)

Materials

Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System Quantum Opus Opus One
Electro-optic phase modulator EO-Space Low loss model
Programmable filter Finisar  WaveShaper 4000s
Timing electronics PicoQuant HydraHarp 400
Micro-ring resonator 200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details.
Erbium-doped fiber amplifier Keopsys PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
Electro-optic amplitude modulator Oclaro  SD40
RF tone source Rohde & Schwarz SMP 04
RF tone amplifier RF-Lambda RFLUPA27G34GA
Function generator Tetronix AFG 3251
Isolator General Photonics NISO-S-15-SS-FC/APF
Oscilloscope Tetronix  TDS5052B
Photodiode Finisar XPDV 50 GHz
DWDM OptiWorks DWFUQUMD08BN
Power supply Madell CA18303D

References

  1. Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
  2. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
  3. Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604 (2014).
  4. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O’Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  5. Schaeff, C., Polster, R., Lapkiewicz, R., Fickler, R., Ramelow, S., Zeilinger, A. Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits. Optics Express. 20 (15), 16145 (2012).
  6. Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93 (2004).
  7. Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
  8. Caspani, L., et al. Multifrequency sources of quantum correlated photon pairs on-chip: a path toward integrated Quantum Frequency Combs. Nanophotonics. 5 (2), 351-362 (2016).
  9. Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
  10. Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
  11. Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
  12. Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
  13. Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
  14. Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
  15. Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
  16. Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731 (2016).
  17. Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), (2017).
  18. Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940 (2017).
  19. Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
  20. Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
  21. Olislager, L., Woodhead, E., Phan Huy, K., Merolla, J. M., Emplit, P., Massar, S. Creating and manipulating entangled optical qubits in the frequency domain. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 89 (5), 1-8 (2014).
  22. . Finisar WaveShaper Software Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018)
  23. Capmany, J., Fernández-Pousa, C. R. Quantum model for electro-optical phase modulation. Journal of the Optical Society of America B. 27 (6), A119 (2010).
  24. Stocklin, F. . Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
  25. Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. . Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
  26. Moss, D. J., Morandotti, R., Gaeta, A. L., Lipson, M. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics. 7 (8), 597-607 (2013).
  27. Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100 (2017).
  28. Guo, X., Zou, C., Schuck, C., Jung, H., Cheng, R., Tang, H. X. Parametric down-conversion photon-pair source on a nanophotonic chip. Light: Science & Applications. 6 (5), e16249 (2016).
  29. Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884 (2015).
  30. Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413 (2011).
  31. Kumar, R., Ong, J. R., Savanier, M., Mookherjea, S. Controlling the spectrum of photons generated on a silicon nanophotonic chip. Nature communications. 5, 5489 (2014).
  32. Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182 (1992).
  33. Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
  34. Thoen, E. R., Grein, M. E., Koontz, E. M., Ippen, E. P., Haus, H. A., Kolodziejski, L. A. Stabilization of an active harmonically mode-locked fiber laser using two-photon absorption. Optics Letters. 25 (13), 948 (2000).
  35. Harvey, G. T., Mollenauer, L. F. Harmonically mode-locked fiber ring laser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transmission. Optics Letters. 18 (2), 107 (1993).
  36. Gee, S., Quinlan, F., Ozharar, S., Delfyett, P. J. Simultaneous optical comb frequency stabilization and super-mode noise suppression of harmonically mode-locked semiconductor ring laser using an intracavity etalon. IEEE Photonics Technology Letters. 17 (1), 199-201 (2005).
  37. Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).

Play Video

Cite This Article
MacLellan, B., Roztocki, P., Kues, M., Reimer, C., Romero Cortés, L., Zhang, Y., Sciara, S., Wetzel, B., Cino, A., Chu, S. T., Little, B. E., Moss, D. J., Caspani, L., Azaña, J., Morandotti, R. Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs. J. Vis. Exp. (136), e57517, doi:10.3791/57517 (2018).

View Video